本发明涉及一种改性聚丙烯材料，属于化学材料技术领域，具体地涉及一种轻量化改性聚丙烯材料及其制备方法与在汽车立柱护板中的应用。
背景技术：
聚丙烯材料具有耐化学药品性好、性价比高和便于回收利用等特点，广泛应用于汽车内饰护板如仪表板、门护板、立柱护板等。不同的内饰护板由于法规性能要求不同，对聚丙烯材料的性能要求也不同，这就需要对聚丙烯材料进行增强增韧等改性。目前的改性方法包括通过弹性体和无机填料进行复合得到pp复合材料。其中无机填料包括碳酸钙、滑石粉和高岭土等，无机填料的加入可以有效地提高pp材料的刚性，降低pp材料的收缩率以及耐腐蚀性能。弹性体主要包括三元乙丙橡胶、乙烯-辛烯共聚材料等，弹性体的加入可以有效提高pp材料的韧性和低温冲击性能。
如中国发明专利申请(申请公布号：cn104744812a，申请公布日：2015-07-01)公开了一种超低温高韧性改性聚丙烯及其制备方法，其在聚丙烯中加入了5～30质量份的无机刚性粒子作为增强材料的刚性及5～30质量份的非晶态聚-a-烯烃以改善材料的低温韧性，实施例中列举了所得改性材料的密度1.031g/cm3、1.035g/cm3、1.033g/cm3、1.029g/cm3、1.036g/cm3、0.94g/cm3；室温下缺口冲击强度为15.47kj/m3、29.04kj/m3、39.65kj/m3、29.51kj/m2、30.33kj/m2、31.53kj/m2；-50℃下的缺口冲击强度为7.72kj/m2、11.43kj/m2、14.86kj/m2、12.17kj/m2、12.94kj/m2、10.22kj/m2；弯曲强度为40.56mpa、30.23mpa、24.74mpa、29.67mpa、28.75mpa、18.74mpa；弯曲模量为2113.18mpa、1794.59mpa、1471.43mpa、1752.8mpa、1678.89mpa、1226.16mpa；
中国发明专利申请(申请公布号：cn103665570a，申请公布日：2014-03-26)公开了一种超低温韧性聚丙烯组合物及其制备方法，其在聚丙烯中加入了5～30％的填充增强剂作为增强材料的刚性及15～30％的增韧剂以改善材料的低温韧性，其中，填充增强剂为以poe为载体的滑石粉母粒；实施例中列举了所得改性材料的密度0.857g/cm3、0.864g/cm3、0.87g/cm3、0.862g/cm3、0.86g/cm3；室温下缺口冲击强度为57.1kj/m2、58.7kj/m2、55.3kj/m2、56.8kj/m2、60kj/m2；-40℃下的缺口冲击强度为16.4kj/m2、19.4kj/m2、17.4kj/m2、18.7kj/m2、17.8kj/m2；弯曲模量为1062mpa、1488mpa、1841mpa、1583mpa、1925mpa。
研究发现填充增强剂的添加虽然能改善材料的刚性，但随着其含量的增加必然带来材料密度增加，并不利于整车的轻量化，为减轻车身重量，中国发明专利申请(申请公布号：106188845a，申请公布日：2016-12-07)公开了一种轻量化汽车立柱护板及其制备方法，其中，该立柱护板的材质主要由两部分组成，一部分为主体复合材料，另一部分为包裹在主体复合材料表面的织物，其中，主体复合材料包括结晶度大于等于70％，熔融指数为5-30g/10min的聚丙烯、矿物粉体、支化聚丙烯、成核剂、抗氧剂、润滑剂、耐刮擦助剂及功能母粒，织物的材质为玻璃纤维、碳纤维、麻纤维、合成纤维中的任意一种。该申请将模内装饰技术与聚合物微孔发泡技术相结合，能够在汽车立柱护板即使重量减轻超过18％情况下，利用织物补强作用，还能保持材料高机械强度，实现低密度、高强度性能与应用平衡，并最终实现汽车立柱护板轻量化。同时，功能母粒实现了发泡剂、发泡助剂在树脂中的预分散，有利于提高立柱护板中泡孔均匀性，减少了工厂粉尘，提高生产效率、降低了生产制造成本。实施例中列举了所得产品的密度为0.926g/cm3、0.910g/cm3、0.915g/cm3、0.938g/cm3；拉伸强度为38.6mpa、63.2mpa、34.7mpa、65.3mpa、弯曲模量为3350mpa、4720mpa、2710mpa、3950mpa、室温下的悬臂梁缺口冲击强度为24.6kj/m2、16.3kj/m2、17.7kj/m2、26.8kj/m2；热变形温度为113℃、125℃、110℃、120℃。
而立柱护板还需要满足低温，如极端-35℃气帘爆破要求，因此立柱护板需要在保证零件足够的刚性提前下还具有优异的低温韧性要求，而刚性和低温韧性体现在产品性能上通常是相反的两个技术指标，如何保证改性聚丙烯材料在具较好备足够刚性的基础上，其低温韧性性能也较优，是目前需要解决的技术问题。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供了一种轻量化改性聚丙烯材料及其制备方法与在汽车立柱护板中的应用，通过采用相对较低含量的无机填料，并结合高结晶高流动性聚丙烯自身具备的优异性能，保证了改性聚丙烯材料在材料密度相对较低前提下的足够刚性。同时该改性聚丙烯材料低温性能优异，-30℃无缺口冲击强度≥80kj/m2；-50℃无缺口冲击强度≥20kj/m2；用该材料制造的立柱护板可以通过-35℃低温箱内气帘爆破，气帘爆破后立柱护板完好无损，无飞溅。
为实现上述目的，本发明公开了一种轻量化改性聚丙烯材料，它包括如下质量比的各原料组分：
气味吸附剂1.0～3.0％；其中，所述聚丙烯为高结晶高流动性共聚聚丙烯，所述高结晶高流动性共聚聚丙烯满足结晶度在60％以上，弯曲模量为1500～1800mpa，熔融指数为50～100g/min的技术指标。
优选的，所述高结晶高流动性聚丙烯满足结晶度为72～88％，弯曲模量为1550～1800mpa，熔融指数为55～90g/min的技术指标。
本发明中公开选择的高结晶高流动性共聚聚丙烯在具备优秀的加工性能的基础上，同时还能保证材料的刚性及高温耐变形性。
进一步地，所述无机填料的粒度大于3000目。虽然无机填料填充于聚丙烯的空隙中，与聚丙烯一起协同发挥提高产品刚性的作用，但随着无机填料含量的增加，必然会带来产品的密度或质量的增加，并不利于产品的轻量化要求。本发明通过高目数，且相对较低含量的无机填料对高结晶高流动性聚丙烯的均匀填充，保证了产品具备相对较高的刚性及低密度，弥补了因为添加大量增韧剂对产品刚性的不利影响。
进一步地，所述无机填料包括滑石粉、晶须、硅灰石、云母粉、碳酸钙或高岭土中的至少一种，且所述滑石粉的粒度为3000～5000目。
进一步地，所述增韧剂为乙烯-丙烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物、三元乙丙胶或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物中的一种以上。
优选的，所述增韧剂为乙烯-辛烯共聚物或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物的至少一种。
优选的，所述乙烯-辛烯共聚物中辛烯的质量百分含量为25％，熔融指数为5g/10min。
优选的，所述苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物中苯乙烯含量为30～35％。
进一步地，所述抗氧剂为酚类、胺类、亚磷酸酯类、半受阻酚类、丙烯酰基官能团与硫代酯的复合物类或杯芳烃中的任意一种或几种的混合物。
优选的，所述抗氧剂为sonox1010、sonox168、thanoxdstdp、抗氧剂-412s、抗氧剂y-001或抗氧剂y-002等
进一步地，所述润滑剂为脂肪酸酯类、脂肪酰胺或脂肪酸醇类中的一种或几种的混合物。
优选的，所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺。
进一步地，所述气味吸附剂为活性炭、硅胶、凹凸棒、分子筛、硅藻土中的一种或者其混合物。
与此同时，本发明还公开了一种轻量化改性聚丙烯材料的制备方法，它包括取质量百分比分别为聚丙烯70～85％、无机填料1.0～4.5％、增韧剂11～26％、抗氧剂0.2～0.8％、润滑剂0～0.2％及气味吸附剂1.0～3.0％的各原料组分混合均匀，经熔融挤出、拉条、水冷、造粒得到复合材料粒子。
进一步地，所述熔融挤出工艺为在双螺杆挤出机中完成，控制真空度≤-0.08bar，挤出温度为190～220℃。，具体的挤出温度为一区120℃，二区190℃，三区200℃，四区220℃，五区230℃，六区230℃，七区230℃，八区210℃。
进一步地，所述双螺杆挤出机中螺杆组合为高剪切螺杆组合，包含带孔型圆盘螺纹。在盘与盘之间有密集小孔，实现对流共混剪切的作用，加强树脂基体中无机填料的充分分散。
进一步地，螺杆转速为300～800rpm，总喂料量为100～800kg/h。
进一步地，所述聚丙烯为高结晶高流动性共聚聚丙烯，所述高结晶高流动性共聚聚丙烯满足结晶度在60％以上，弯曲模量为1500～1800mpa，熔融指数为50～100g/min的技术指标。
为更好的实现本发明技术目的，本发明还公开了一种上述轻量化改性聚丙烯材料在制备汽车立柱护板中的应用。它包括用于整车立柱护板，并将该整车立柱护板进行-35℃环境下的侧气帘爆破检测，测试结果为气帘完全展开，外观良好，无破坏；立柱护板均完好无损，无破坏。
本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：
1、本发明公开了一种改性聚丙烯材料，其可实现整车立柱护板轻量化，有利于降低造车成本；
2、本发明公开的改性聚丙烯材料可较好的保证整车立柱护板的刚性和韧性，其中，-30℃无缺口冲击强度≥80kj/m2；-50℃无缺口冲击强度≥20kj/m2；并且低温-35℃侧气帘爆破时气帘可以完全展开且外观良好无破坏，可以更好的保护驾驶员及乘客安全。
具体实施方式
本发明公开了一种轻量化改性聚丙烯材料的制备方法，它包括取质量百分比分别为聚丙烯70～85％、无机填料1.0～4.5％、增韧剂11～26％、抗氧剂0.2～0.8％、润滑剂0～0.2％及气味吸附剂1.0～3.0％的各原料组分混合均匀，经熔融挤出、拉条、水冷、造粒得到复合材料粒子。其中，熔融挤出工艺为在双螺杆挤出机中完成，控制真空度≤-0.08bar，挤出温度为190～220℃，螺杆转速为300～800rpm，总喂料量为100～800kg/h。
所述聚丙烯为高结晶高流动性共聚聚丙烯，所述高结晶高流动性共聚聚丙烯满足结晶度在60％以上，弯曲模量为1500～1800mpa，熔融指数为50～100g/min的技术指标。
控制上述各原料组分的不同含量探究改性聚丙烯材料的性能，具体如下：
表1不同配比的原料组成
其中，上述表1中普通共聚聚丙烯结晶度为56％，弯曲模量为1350mpa，熔融指数为50g/min。高结晶高流动性共聚聚丙烯满足结晶度为75％，弯曲模量为1700mpa，熔融指数为55g/min
增韧剂为乙烯-辛烯共聚物，辛烯含量为25％，熔融指数为5g/10min；无机填料1为5000目滑石粉，无机填料2为2500目滑石粉；抗氧剂为sonox1010和sonox168的任意配比，润滑剂为乙撑双硬脂酰胺，气味吸附剂为硅藻土。
材料性能检测：将上述实施例1～3和对比例1-3制备得到适用于汽车内饰立柱护板的轻量化改性聚丙烯材料和对比例制备得到的聚丙烯材料在80～90℃的烘箱中干燥2小时，然后将干燥好的粒子材料在注塑成型机上注塑出标准测试样条。密度按gb/t1033.1标准进行检测；弯曲强度和弯曲模量按gb/t9341标准进行检测，弯曲速度为2mm/min。悬臂梁冲击强度按gb/t1843标准进行检测，样条尺寸80mm×10mm×4mm，a型缺口，缺口深度2mm；收缩率按照gb/t15585标准进行检测。具体测试结果如表2所示；
表2实施例和对比例的性能列表
将实施例1～4和对比例1～3制备得到适用于汽车内饰立柱护板的轻量化改性聚丙烯材料和对比例制备得到的聚丙烯材料在80～90℃的烘箱中干燥2小时，然后将干燥好的粒子材料在注塑成型机上注塑出汽车左前立柱上护板。
低温侧气帘爆破检测：在-35℃环境仓中保持5h后开展气囊爆破。
具体测试结果如表3所示；
表3实施例和对比例立柱护板气囊爆破测试结果
由上述实施例可知，本发明选择采用高结晶高流动性共聚聚丙烯组分聚丙烯配合少量无机填料及相对较多的增韧剂，制得的改性材料密度为0.90～0.96g/cm3，与立柱护板常用的pp+epdm-td15和pp+epdm-td20相比，密度相对降低5～10％。-30℃无缺口冲击强度≥80kj/m2；-50℃无缺口冲击强度≥20kj/m2；用该材料制造的立柱护板可以通过-35℃低温箱内气帘爆破，气帘爆破后立柱护板完好无损，无飞溅。
此外，本发明还探究了具备相关技术指标的聚丙烯对改性材料性能的影响，结果发现当高结晶高流动性聚丙烯满足结晶度为72～88％，弯曲模量为1550～1800mpa，熔融指数为55～90g/min的技术指标时，改性材料的综合性能最好。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。